texntermodin2_NoRestriction

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

8.2. ПГУ со сбросом газов в топку парового котла

(ПГУ с низконапорным парогенератором)

Отработавшие газы газовых турбин обычно содержат 16 18 % ки-

слорода (по объему) и могут использоваться в качестве «воздуха» окислителя для горения топлива в топках паровых котлов. Это создает условия для ути-

лизации отбросного тепла уходящих газов газовой турбины в паровом котле.

При этом температура уходящих газов из котла может быть снижена до обычных значений путем замены воздухоподогревателей котлов низкотемпе-

ратурными водяными экономайзерами.

Такая схема ПГУ была предложена профессором ЛПИ (СГПУ)

И.И.Кирилловым и осуществлена при модернизации ряда паротурбинных электростанций.

Принципиальная схема и идеальный цикл парогазовой установки со сбросом выхлопных газов газовой турбины в топку парового котла изобра-

жены на рис.8.7 и рис.8.8.

При построении циклов ПГУ оказывается удобным смещать масштаб энтропии для одного из рабочих тел.

В диаграмме T - S подвод тепла в камере сгорания ГТУ изображен изобарой г a, а в паровой части в котельном агрегате – изобарой б m1 .

Подвод всего количества тепла к воде и водяному пару производится при ох-

лаждении продуктов сгорания – кривая m1 б d и воспринимается в паро-

вой части цикла по изобаре 4 5 6 1.

Все тепло топлива, подведенное в парогазовом цикле, частично рас-

ходуется на совершение полезной работы газовой турбины lг , часть тепла те-

ряется с уходящими газами qух , а остальная часть идет на нагрев питательной воды, парообразование и перегрев пара.

Площадь ж d -в-e соответствует величине потерь тепла с уходя-

щими газами. Площадь з б d -ж, равная площади и 5 4 ж, выражает

91

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

количество тепла, отданное выхлопными газами питательной воде в газово-

дяном подогревателе.

Рис.8.7. Принципиальная схема ПГУ со сбросом газов в топку парового котла

Рис.8.8. Идеальный цикл ПГУ со сбросом газов в топку котла

8.3.ПГУ с высоконапорными парогенераторами

В1944-1945 гг. в ЦКТИ профессор А.Н. Ложкин разработал схему па-

рогазовой установки со сгоранием топлива при постоянном давлении. Реали-

92

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

зация этой схемы была осуществлена в ЦКТИ под руководством М.И. Кор-

неева и продолжена Е.Н. Прутковским.

Рис.8.9. Принципиальная схема ПГУ с ВПГ

В этих установках воздух, сжатый в компрессоре, подается не в каме-

ру сгорания газовой турбины, как это имело место в парогазовых установках со сбросом газов в топку парового котла, а непосредственно в топку высоко-

напорного парогенератора, где сжигается под высоким давлением газообраз-

ное или жидкое топливо. Часть тепла продуктов сгорания топлива расходует-

ся в парогенераторе на парообразование и перегрев пара, так что температура газов на входе в газовую турбину снижается до заданной величины. Тепло выхлопных газов из газовой турбины используется для подогрева питатель-

ной воды паровой части установки в газоводяном подогревателе. Электриче-

ская энергия вырабатывается в двух электрогенераторах, приводимых в дви-

жение паровой и газовой турбинами. Причем часть мощности газовой турби-

ны расходуется на привод компрессора.

Особенностью этой схемы является повышенное давление продуктов сгорания в парогенераторе, что приводит к более интенсивному теплообме-

93

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

ну, чем в обычных паровых котлах и позволяет значительно уменьшить ме-

таллозатраты в поверхности нагрева.

Рис.8.10. Идеальный цикл ПГУ с ВПГ

Термодинамические процессы рабочих тел парогазовой установки об-

разуют в совокупности парогазовый цикл, состоящий из двух частей, как и в предыдущем случае. Принципиальная схема ПГУ с ВПГ и идеальный цикл такой установки изображены на рис.8.9 и рис.8.10.Газовый контур

а б в г а и паровой 1 2 3 4 5 6 1.

Площадь з б d -ж, равная площади ж 4 5 и, изображает в оп-

ределенном масштабе количество тепла, переданное выхлопными газами пи-

тательной воде в газоводяном подогревателе. Подведенное в цикле тепло то-

плива, сожженное в топке парогенератора, выражается площадью под кривой

г m1 , ограниченной осью абсцисс, и разделяется на тепло топлива, подве-

денное к газовой части цикла з а г е, и тепло топлива, подведенное к паровой части к m1 -a - з.

94

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

8.4. ПГУ установки с низконапорным парогенератором третьего типа

В установках ПГУ с НПГ третьего типа отработавшие в ГТУ газы по-

ступают в газовый подогреватель питательной воды, где их теплота утилизи-

руется. Этой теплоты может быть достаточно для того, чтобы отключить ре-

генеративные подогреватели питательной воды. При этом резко возрастают мощность паровой турбину и КПД установки в целом (рис.8.11). Важно, что паротурбинный блок включается в схему без принципиальных изменений.

Утилизация теплоты ОГ ГТУ может осуществляться при последова-

тельном подогреве питательной воды отборами пара низкого или высокого давления и в газовом подогревателе, при параллельном подогреве в газовом и регенеративном подогревателях и при смешанном подогреве. Схема с парал-

лельным подогревом питательной воды обеспечивает максимальную терми-

ческую эффективность ПГУ, однако практическая реализация этой схемы за-

труднена из-за возможности коррозии поверхностей нагрева газового водо-

нагревателя, его повышенной металлоемкости и других факторов.

Рис. 8.11. Принципиальная тепловая схема ПГУ с НПГ третьего типа с подогревом питательной воды и простейшей ГТУ

95

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

8.5. Расчет термодинамических циклов ПГУ

Расчеты термодинамических циклов ПГУ с раздельными потоками рабочих тел производятся обычными методами. Вместе с тем эти расчеты имеют некоторую особенность, вызванную наличием двух рабочих тел.

Расчет парогазового цикла наиболее удобно производить относитель-

но 1 кг воздуха сжимаемого компрессором. Обозначим отношение расхода пара к расходу воздуха в установке буквой d Gп Gв .

В этом случае термический КПД цикла ПГУ определится следующим образом:

и

тогда выражение для термического КПД имеет вид:

Здесь lг и lп - полезная работа в газовой и паровой части цикла, отне-

сенное к 1 кг воздуха;

qух - потери тепла с уходящими газами;

qп - тепло, подведенное к рабочему телу в паровой части;

d - относительный расход пара (удельный расход пара на 1 кг возду-

ха).

В некоторых случаях может оказаться целесообразным выполнить расчеты относительно 1 кг пара. Тогда соотношение рабочих тел будет опре-

96

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

деляться коэффициентом m 1/d и в этом случае выражение для термиче-

ского КПД примет вид:

Возможно также определение КПД парогазового цикла из расчета на

1 кг топлива, сжигаемого установкой. В этом случае КПД цикла выражается формулой:

где L0 - теоретически необходимый расход воздуха для полного сго-

рания топлива;

- коэффициент избытка воздуха;

Hu - теплота сгорания топлива.

9. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ.

МАГНИТО-ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ (МГДГ)

9.1. Плазма - четвертое состояние вещества. Ионизированный газ

Согласно модели атома, предложенной Резерфордом (рис.9.1), он со-

стоит из положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейро-

нов, вокруг которого по замкнутым орбитам движутся отрицательно заря-

женные частицы (электроны), аналогично планетам, движущимся по орбитам вокруг Солнца. Количество орбит и число электронов на каждой орбите у каждого элемента таблицы Менделеева разное.

97

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Рис.9.1. Модель атома

В целом атом электрически нейтрален, поскольку положительный за-

ряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов.

Если у электрически нейтрального атома каким-либо способом уда-

лить один электрон, то такой атом будет электрически заряжен положитель-

но. Положительно заряженный атом без одного электрона называется одно-

зарядным ионом. Если атом теряет следующий (второй электрон), то он пре-

вращается в двухзарядный ион и так далее. Когда у атома полностью удале-

ны все электроны, то он является полностью ионизованным. Существует не-

сколько способов ионизации: термическая, в результате электронного уда-

ра и др.

Для превращения нейтрального атома в ион необходимо затратить энергию, называемую энергией ионизации - Ui , которая обычно измеряется в

электронвольтах – э.в (1э.в 1,6 10 19 Дж).

Запись процесса ионизации имеет вид:

A Ui A e,

где A - атом в исходном состоянии;

A - положительный ион; e - электрон.

Как известно, энергия Uuq беспорядочного теплового движения час-

тиц, обладающих тремя степенями свободы, равна:

98

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

R - универсальная газовая постоянная;

NA - число Авогадро.

Полная термическая ионизация может быть осуществлена при усло-

вии:

Так например, для водорода Ui 13,595 э.в и, в соответствии с равен-

ством (9.1), для водорода полная ионизация осуществляется при температу-

ре:

Плазма

Плазмой называется вещество, находящееся в частично или полно-

стью ионизированном состоянии. По своей распространенности во Вселен-

ной плазма занимает первое место: это вещество звезд, Солнца, газов меж-

звездного и межпланетного пространства. Плазма является нормальной фор-

мой существования вещества при температуре более 105 К и поэтому ее на-

зывают четвертым состоянием вещества.

На рис.9.2 приведено изменение состояния различных химических элементов в зависимости от температуры.

С ростом температуры все химические элементы последовательно проходят следующие состояния: от твердой или жидкой фазы 9, через испа-

рение 7, диссоциацию 8 и ионизацию 5 к плазме 6 и далее после завершения

99

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

ионизации 4, ядерных реакций 2 и распада ядер 3 к плазме 1, состоящей

только из протонов и электронов.

Атомный номер элемента

Рис.9.2. Изменение состояния вещества в зависимости от температуры

Таким образом, плазма состоит из положительно и отрицательно за-

ряженных частиц, а также из нейтральных атомов.

Для характеристики плазмы вводится понятие степени её ионизации,

характеризуемое коэффициентом ионизации:

где n - число заряженных частиц;

N - общее число ионов и атомов.

Плазма имеет одну определенную температуру (изотермная плазма),

если она находится в состоянии полного термодинамического равновесия.

Такое равновесие устанавливается в закрытых системах с запертым излуче-

нием.

Поскольку отрицательный заряд электронов в плазме нейтрализуется положительным зарядом ионов, то плазма в достаточно больших объемах яв-

ляется электрически нейтральной.

100